Produktion eines HSHL-Getränkeuntersetzers: Kleben (Station 2): Unterschied zwischen den Versionen
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Version vom 5. Februar 2023, 08:56 Uhr
Autoren: Frederik Baune, Matthias Hernzel
Dozent: Prof. Dr. Mirek Göbel
Wintersemester: 2022/2023
Fachsemester: 7
→ zurück zur Übersicht: [Praktikum Produktionstechnik]
→ zum Hauptartikel: [HSHL-Getränkeuntersetzer]
Einleitung
Dieses Projekt wurde in dem Praktikum „Produktionstechnik“ des Schwerpunkt-Moduls „Global Production Engineering III“ durchgeführt. Es ist Teil des 7. Semesters des Studiengangs „Mechatronik“ an der Hochschule Hamm-Lippstadt. Die Aufgabe dieses Praktikums ist der Aufbau eines automatisierten Systems mit Hilfe einer Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) des Unternehmens Siemens. Als Programmier-Software wird das Siemens spezifische Programm „TIA-Portal“ verwendet.
In dem Praktikum wird eine MPS-Anlage konstruiert, welche die Aufgabe hat HSHL-Untersetzer zu fertigen und zu verpacken. Diese Aufgabe wurde hierbei in vier Gruppen unterteilt (Kommissionierung, Kleben,Montage,Verpackung). Unsere Gruppe befasst sich mit dem Teil des Klebens und wie diese Aufgabe effektiv und effizient umgesetzt werden kann.
Gesamtkonzept
Die Gesamtaufgabe dieser Anlage ist die Produktion von HSHL-Getränkeuntersetzern, welche als Werbegeschenke dienen können. Für die Umsetzung dieses Projekts wurden vorab spezifische Anforderungen gestellt:
- Projekt soll nachhaltig sein → Weiterentwicklungs-Möglichkeiten für nachfolgende Semester
- System soll auf vier Stationen aufteilbar sein
- Getränkeuntersetzer sollen individualisierbar sein
- Nutzung des vorhandenen Förderbands der MPS-Anlage als gemeinsame Schnittstelle
In Folge dieser Anforderungen wurde das System in vier unterschiedliche Stationen aufgeteilt. Die erste Station „Kommissionierung" befasst sich mit der Bestückung des Warenträgers. Die Station zwei „Kleben“ trägt auf den Grundrahmen des HSHL-Untersetzer Klebstoff auf. Die Station drei „Montage“ fügt die vier einzelnen Komponenten zusammen. Die letzte Station „Verpackung“ umhüllt den fertigen Getränkeuntersetzer mit einer eigens kreierten Verpackung.
Fertigungsaufgabe
Speziell die Station „Kleben“ ist für das Auftragen eines Klebers verantwortlich. Dieser wird mittels Klebepunkte über vier Klebedüsen in die Einkerbungen der Grundplatte gesetzt. Der Kleber sorgt für einen festen Halt der anschließend eingesetzten Einzelteile.
Vorgehensweise nach dem V-Modell
Das V-Modell wird eingesetzt, um dem Benutzer bei der Organisation und Durchführung eines anstehenden Projekts zu helfen. Es visualisiert das lineare Vorgehen der einzelnen Projektphasen. Angefangen bei den Anforderungen des Projekts begleitet es den Benutzer bis schlussendlich der Abnahmetest das erfolgreiche Abschließen des Projekts bestätigt. Dabei sind die einzelen Schritte des absteigenden Pfades mit den korrespondierenden Schritte des aufsteigenden Pfades sinnhaftig miteinander verknüft und bauen aufeinader auf.
Anforderungsdefinition
Innerhalb der Anforderungsdefinition werden die Aufgaben des Projekts festgelegt und anhand von festgelegten Anforderungen spezifiziert. Bei der Anforderungsdefinition wurden unter anderem folgende Aspekte definiert:
- Geometrie & Gewicht der Station und der einzelnen Komponenten
- Aufbau der Station
- Verwendete Software und Werkzeuge
- Sicherheit und wie diese gewährleistet wird
Diese Anforderungen (Abbildung 4) sind während des gesamten Projekts Grundlage dafür wie die Station Kleben konstruiert und entwickelt wird und fungieren vergleichsweise einem Lastenheft.
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Funktionaler SystementwurfDer funktionale Systementwurf gliedert sich in zwei Bereiche. Zum einen wird das grobe Gesamtkonzept der Station abgebildet und zum anderen wird der Ablauf eines Klebvorgangs mit Hilfe eines Ablaufplans beschrieben
KonzeptIn der Abbildung 5 ist das Konzept der Station "Kleben" dargestellt. Das Konzept kann in folgende Teile zerlegt werden:
SPS
Dosierung Kleber Klebevorrichtung AblaufplanBei der Erstellung wurde bewusst auf Unterprogramme verzichtet, um alle Funktionen auf einer Ebene sichtbar zu halten. Der Klebevorgang beginnt für jeden neuen Untersetzter wieder von Beginn, sodass der hier dargestellt Ablauf einen Durchgang darsetllt. Der Ablauf wird also immer wieder zyklisch durchlaufen sobald ein neuer Werkstückträger an die Station kommt.
1) Der Werkstückträger erreicht die Station Kleben und gibt das Signal den Vorgang zu starten 2) Die Verfahreinheit fährt die Klebevorrichtung über das Förderband. 3) Die Klebevorrichtung wird abgesenkt bis sie kurz über dem Untersetzer schwebt. 4) Der Klebstoff wird dosiert und zum Untersetzer befördert. 5) Die Klebevorrichtung fährt wieder hoch und die Verfahreinheit fährt wieder in Die Grundstellung zurück. 6) Es wird ein Signal an die Bandanlage ausgegeben, dass der Werkstückträger weiterbefördert werden kann. Hinweis: Falls der Klebstoff in der Spritze leer werden sollte kann der aktuelle Klebevorgang noch beendet werden und anschließend wird die Steuerung ausgesetzt und es wird eine Störung ausgegeben. Auf der Basis dieses PAPs, welcher im Grunde einen Grafcet darstellt, erfolgt die Programmierung der SPS (siehe Abschnitt "Programmierung"). Mittels der SPS werden alle Funktionen der Station verwaltet. Technischer SystementwurfBeim technischen Systementwurf werden nun alle Beziehungen der Systeme untereinander klar. Ebenso werden die einzelnen Konzepte zur Umsetzung der gesamten Anlage dargestellt. Aus Abbildung 7 geht hierbei hervor, dass eine SPS als zentrales Steuerungselement fungiernen soll. Alle Sensorsignalen bzw. Inputsignale werden in der SPS eingelesen und verarbeitet. Analog dazu werden die Signale für alle Ausgänge von der SPS wieder ausgegeben und an die Aktoren übermittelt. Zu den Sensoren gehören drei mal je zwei Endlagen für PickALpha und zwei Pneumatikzylinder, sowie ein Signal von der Förderbandanlage. Die Ausgänge sind zum einen die Ansteuerung der Pneumatikzylinder, sowie die drei Relais um den PickAlpha im Vorwärts- und Rückwärtslauf zu betreiben. Ebenso ein Ausgnagssignal für die Bandanlage für die Information wenn ein Werkstück fertig bearbeitet ist. Des Weiteren wird aus dem technischen Systementwurf deutlich wie die pneumtischen Schlatkreise aufgebaut sind. Die Druckluftversorgung speist zunächst eine zentrale Ventilinsel. Von dieser aus werden dann durch die zuvor beschriebene SPS die Pneumatikzylinder entsprechend angesteuert.
Um den Klebeprozess innerhalb der MPS-Anlage möglichst einfach und effizient umzusetzten sollte nun ein Konzept ausgearbeitet werden, was den Klebstoff auf den kommissionierten Warenträger aufträgt. Das Konzept wurde zunächst in mehrere verschiedene kleinere Systeme runtergebrochen: 1) Die Klebedosierung Um den Klebstoff in einem präzisen und wiederholbaren Art und Weise durchzuführen wurde ein entsprechendes Konzept ausgearbeitet. Um dies zu gewährleisten wurde ein Pneumatikzylinder mit der Hubstange einer Spritze verbunden . Am Ende der Spritz wurde ein Schlauchanschluss befestigt, an welchem ein einfacher Pneumatik Schlauch weiter bis zur Bandanlage mit den zu klebenden Bauteilen führte. Somit kann der Kleber mittels pneumatischer Beaufschlagung des Zylinders aus der Spritze zum Zielort gedrückt werden. Die stärke bzw. Geschwindigkeit des Klebstoffstrom kann hierbei über die Drosselrückschagventile des Zylinders justiert werden.
Die Klebevorrichtung soll als eine Art Verteilstation fungieren. Der Kleber kommt von der zuvor beschiebenen Klebedosage und gelangt an der oberen Seite in die Klebevorrichtung. Der Klebstoffstrom teilt sich hierbei auf und an der Unterseite treten dann an mehreren Stellen der Klebstoff aus Düsen aus. Somit soll eine bessere HAftung der einzelnen Bauteile des HSHL-Untersetzters gegeben sein.
Mittels dem zu Verfügung gestellten PickAlpha wird die Klebevorrichtung und respektive der geförderte Kleber von der Station bis über das Förderband bewegt. Anschließend soll diese dann auf das Band präzise abgelassen werden. Dieses Konzept wird deshalb verfolgt, da so keine aufwendiger Transprot des Werkstückträger vom Förderband zur Station mehr gegeben ist, sondern der ganze Klebevorgang auf das Förderband verlagert wird. Somit sollte der Aufbau einfacher und der Ablauf zuverlässiger werden.
Um die Dosierung des Klebers, die Steuerung des Pickalpha's sowie jedliche anderen Aktoren des Systems zu steueren und ab auch die Sensordaten auszuwerten wird die Anlage mittels Siemens SPS gesteuert.Dabei empfängt diese 7 Eingange und gibt SIgnale an 6 AUsgänge wieder aus. Welche diese sind ist in der Anschlusstabelle zu sehen. KomponentenspezifikationIn der Komponentenspezifikation werden nicht nur die Hardwarekomponenten beschrieben, sondern auch deren Funktionsweise und die Aufgabe im System näher erläutert. Weiterhin werden die Schnittstellen zwischen den Komponenten beschreiben. Eine ausführliche Komponentenspezifikation findet sich im SVN unter: → siehe https://svn.hshl.de/svn/MTR_GPE_Praktikum/trunk/Fachthemen/MPS_HSHL_Untersetzer/2_Kleben/04_Komponentenspezifikation
Hier ist ein Überblick über die verwendeten Komponenten:
EntwicklungMechanikFolgende Bauteile wurden mit SolidWorks erstellt und mit einem FDM Drucker hergestellt.
Pneumatik
Elektrik
ProgrammierungUm die gesamte Anlage zu steuern wird auf eine Siemens SPS ET200 zurückgegriffen. Nach einer anfänglichen Erstinbetriebnahme wurde die SPS mit dem auf dem PC installierten TIA Portal verbunden und das Programm erstellt. Das Programm wurde als Schrittkette mit der Programmiersprache S7 GRAPH im TIA Portal realisiert. Ein Kurzeinleitung mit Links zu ausführlichen Anleitungen zum Programmieren einer Schrittkette befindet sich hier: #Tutorial Schrittkettenprogrammierung Ein Überblick über die Inputs und Outputs ist hier: Der Grundablauf der Schrittkette sieht wie folgt aus: 1. Alle Bauelemente fahren in Grundstellung 2. Der Picklpha fährt über das Förderband aus. 3. Die Klebevorrichtung wird auf den kommissionierten Warenträger abgesenkt. 4. Der Dosierzylinder fährt aus und beaufschlagt Druck auf den Kleber. 5. Das Magnetventil öffnet für 2 Sekunden und der Kleber kann fließen. 6. Das Magnetventil schließt. 7. Die Klebevorrichtung wird wieder angehoben 8. Der Pickalpha fährt wieder in Grundstellung zurück Zusatz: Sollte vor oder während eine Klebevorgangs der Klebstoffvorrat in der Spritze kritsch niedrig werden, gibt die Steuerung einen Fehler aus und fährt wieder in Grundstellung. Ein Weiterbetrieb ist dann erst möglich sobald Klebstoff augefüllt worden ist. Aktive Zyklen können jedoch aufgrund einer einkalkulierten Reserve noch beendet werden.
ProgrammausschnittIm folgenden wird ein Programmausschnitt näher erläutert: KomponententestDa die Station Kleben aufgrund von fehlender oder keiner Dokumentation der Vorgängergruppe neu aufgesetzt werden musste, ist der Punkt Komponententest zum Abschluss des Praktikums noch nicht absolviert worden. Der Fokus des Praktikums lag darin zunächst sichtbare Ergebnisse und eine solide Grundlage in Form eines schon größtenteils funktionierneden Systems zu erschaffen. Gleichermaßen führten lange Lieferzeiten der benötigten Bauteile dazu, dass der Komponententest somit noch ausstehend ist. IntegrationstestDa die Station Kleben aufgrund von fehlender oder keiner Dokumentation der Vorgängergruppe neu aufgesetzt werden musste, ist der Punkt Integrationstest zum Abschluss des Praktikums noch nicht absolviert worden. Der Fokus des Praktikums lag darin zunächst sichtbare Ergebnisse und eine solide Grundlage in Form eines schon größtenteils funktionierneden Systems zu erschaffen. Gleichermaßen führten lange Lieferzeiten der benötigten Bauteile dazu, dass der Integrationstest somit noch ausstehend ist. SystemtestDa die Station Kleben aufgrund von fehlender oder keiner Dokumentation der Vorgängergruppe neu aufgesetzt werden musste, ist der Punkt Systemtest zum Abschluss des Praktikums noch nicht absolviert worden. Der Fokus des Praktikums lag darin zunächst sichtbare Ergebnisse und eine solide Grundlage in Form eines schon größtenteils funktionierneden Systems zu erschaffen. Gleichermaßen führten lange Lieferzeiten der benötigten Bauteile dazu, dass der Systemtest somit noch ausstehend ist. AbnahmetestDa die Anlage noch nicht ganzheitlich fertiggestellt wurde, wird nun für den aktuellen Stand folgender „Trockenlauf“ Test durchgeführt um alle jetzt schon einsatzbereiten Funktionen zu überprüfen. Bitte halten Sie sich genau an die beschriebene Prüfreihenfolge. Der Test unterteilt sich im Detail in drei Schritte: 1) Zu Beginn werden alle Schritte beschrieben um die Anlage in Betrieb zu nehmen. Dazu zählt zum Beispiel die Druckluftversorgung herzustellen, die SPS zu starten und das TIA Portal bzw. Programm zu öffnen.
Die Tabelle zu den Testfällen lässt sich über den Knopf "Ausklappen" anzeigen. Bezeichnung: Abnahmetest Station Kleben
ErgebnisZum Ende des diesjährigen Praktikums wurde bereits eine nahezu vollständig funktionierende Anlage konstruiert. Vollständig in Betrieb sind somit schon die Klebstoffdosierung, die Ablaufsteuerung, die Ansteuerung des PickAlpha's sowie die Ansteuerung der Zylinder mittels Ventilinsel sowie die Einbindung aller Sensoren. Das System kann bereits eine reibungslosen "Trockenlauf" absolvieren in dem der Durchgang eines Zyklus bis auf die tatsächliche Ausgabe des Klebers erfolgt. Einzig kleinere Ergänzungen wie der Einbau von Düsen in die Klebervorrichtung, sowie ein Testdurchlauf mit echtem Kleber sind noch durchzuführen. Alle für diese AUfgaben benötigten Teile wurden größtenteils bereits bestellt wurden jedoch noch nicht geliefert. Ebenso ist im SVN eine Anweisung erstellt in der genau beschrieben ist, welche Arbeiten noch zu erledigen sind, sobald alle Bauteile vorhanden sind, um die Anlage gänzlich fertig zu stellen. AusblickErfreulicherweise konnte die Anlage der Station Kleben somit nach dieser Umsetztung testweise in Betrieb genommen werden. Grundsätzlich funktioniert die Anlage bereits, jedoch sind noch kleine Ergänzungen nötig, sowie ggf. noch ein paar Erweiterungen, die die Anlage zusätzlich verbessern. 1. Folgende Artikel sind zu beschaffen:
2. Das Magnetventil innerhalb oder außerhalb der Klebeverteilung anbringen und in den Klebstoffstrom vor der Vierfach-Verteiler integrieren. Für den elektrischen Anschluss siehe [#Elektrik]
Verwendete Software
Lessons Learnd
1) Eine wesentliche Baustelle während der Bearbeitung des Projektes war es die Steuerung der Anlage zu entwickeln. Dabei wahr besonders herausfordernd die Siemens SPS zu Beginn erstmals in Betrieb zu nehmen. Es war eine anfangs unverständliche Erstinbetriebnahme notwendig, sodass viel Zeit darin investiert wurde diese Konfiguration abzuschließen. Des Weiteren war dann eine intensive Einarbeitung in die Benutzeroberfläche des TIA-Portals notwendig um mit der Programmierung zu beginnen. Außerdem war es dann im Anschluss fordernd die SPS mit dem PC zu verbinden um das Programm auf die SPS zu übertragen und zu testen.
Andererseits musste nun noch der DC-Motor vor zu hohen Spannungen geschützt werden. Nachdem eine Schutzbeschaltung mittels Kondesator, Schottky- & Zenerdioden ausgearbeitet wurde, haben wir diese zunächst mittels Multisim getestet. Nachdem diese Situation erfolgreich war, wurde die Schaltung dann auf einer Platine verlötet und in den Schaltkreis zwischen Relais und DC-Motor installiert.
Tutorial Schrittkettenprogrammierung
Handout – Tutorial Schrittkettenprogrammierung mit S7-Graph
Das Handout fasst die wichtigsten Schritte zum Erstellen einer Schrittkette im TIA-Portal zusammen. Links zu Handbüchern und „Schritt für Schritt Anleitungen“ sind hier:
https://www.automation.siemens.com/sce-static/learning-training-documents/tia-portal/advanced-programming-s7-1500/sce-052-100-graph-s7-1500-r1903-de.pdf
https://www.spshaus.ch/files/inc/Downloads/Lernumgebung/Downloads/Allgemein/spshaus_Handbuecher/spshaus_Handbuch_Graph_V14.pdf
https://cache.industry.siemens.com/dl/files/822/109759822/att_959743/v8/109759822_GRAPH_TIAPortal_V15_V1.0_de.pdf
Voraussetzungen: • Grundkenntnisse im TIA Portal • Grundkenntnisse der STEP 7 Programmierung • Die SPS ist im Projekt eingerichtet und kann online verbunden werden 1. Variablentabelle anlegen • Projektnavigation ➔ PLC-Variablen ➔ Neue Variablentabelle hinzufügen • Ein- und Ausgänge entsprechend der Aufgabenstellung hinzufügen
2. Funktionsbaustein anlegen • Projektnavigation ➔ Programmbausteine ➔ Neuen Baustein hinzufügen ➔ Funktionsbaustein ➔ Sprache: Graph ➔ Neu hinzufügen und öffnen
3. Schnittstelle des FB festlegen • Lokale Variablen (Input und Output) in die Schnittstelle des Funktionsbaustein eintragen (von Variablentabelle kopieren)
4. Grobstruktur der Schrittkette erstellen • Kettenansicht des Funktionsbausteins öffnen • Grobstruktur mit Schritten, Transitionen, Alternativzweigen, Simultanzweigen, Kettenende und Sprung zu Schritt erstellen • Initialschritt festlegen
5. Transitionen und Schritte programmieren • Doppelklick auf Schritt, um ihn zu öffnen: • Kennung festlegen, Aktionen bestimmen (Ein- oder Ausgänge steuern, Andere Schritte aktivieren bzw. deaktivieren, andere Funktionsbausteine / Funktionenaufrufen…) • Optional ein Ereignis, ein Interlock (Schrittverriegelung) oder Supervision (Schrittüberwachung) hinzufügen • Transitionen (Weiterschaltbedingungen) zwischen den Schritten programmieren
6. Aufruf des FB im Organisationsbaustein • Projektnavigation ➔ Programmbausteine ➔ Main [OB1] • Funktionsbaustein per Drag & Drop in ein Netzwerk des [OB1] hinzufügen • Lokalen Variablen den globalen Variablen zuweisen
7. Programm laden und beobachten • Zum Beobachten der Schrittkette: PC-online verbinden ➔ Projekt in SPS laden ➔ Kettenansicht des Funktionsbausteins öffnen ➔ Brillensymbol • Schrittkette wahlweise im Automatikbetrieb, Halbautomatikbetrieb oder Handbetrieb steuern
Literaturverzeichnis
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